IGBT設(shè)計(jì)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-11-24
IGBT設(shè)計(jì)的實(shí)例教程
針對(duì)國內(nèi)外變流器企業(yè)IGBT應(yīng)用及封裝設(shè)計(jì)的技術(shù)需求，Ansys解決方案以Workbench為電磁、熱、結(jié)構(gòu)、流體多物理場耦合設(shè)計(jì)平臺(tái)，以Simplorer為器件特征化建模、開關(guān)特性測試、變流電路設(shè)計(jì)及傳導(dǎo)干擾分析平臺(tái)，通過單/雙向的多物理場耦合技術(shù)和魯棒性設(shè)計(jì)，器件與系統(tǒng)的降價(jià)模型和協(xié)同仿真接口，高效解決IGBT封裝設(shè)計(jì)所面臨的、多物理場耦合設(shè)計(jì)和高精度器件與電路、系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題。
平面封裝間接水冷IGBT模塊
對(duì)于平板封裝的引線鍵合、平面封裝的IGBT模塊，我們需要設(shè)計(jì)專門的冷卻水道，模塊與冷卻水道分別處于殼體的內(nèi)外腔體，依靠鋁殼體的傳導(dǎo)進(jìn)行散熱。IGBT模塊平面與殼體之間需要涂抹導(dǎo)熱硅脂，用來降低傳導(dǎo)熱阻。水道設(shè)計(jì)既要保證水路通順，降低水阻，同時(shí)也希望水流相互攪拌，呈現(xiàn)一種湍流的狀態(tài)，使得水路中的水流換熱均勻，能盡可能帶走更多的熱量，提高換熱效率。Pin-Fin結(jié)構(gòu)就是湍流換熱的典型代表結(jié)構(gòu)。
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為了使IGBT模塊正常工作，需要進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，使其工作溫度控制在可容許最大結(jié)溫（Tjmax）以下。因?yàn)闇囟热绻^這個(gè)允許值，IGBT模塊性能將會(huì)明顯下降，并不能穩(wěn)定工作，從而影響IGBT模塊運(yùn)行的可靠性。如果熱設(shè)計(jì)不合理，將會(huì)導(dǎo)致IGBT故障，甚至燒毀。因此，如何為IGBT設(shè)計(jì)性能可靠、使用靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、散熱高效、不用維修的散熱器，成為電力電子設(shè)備冷卻領(lǐng)域的熱門研究課題。[1]
傳統(tǒng)的單相流體的對(duì)流換熱方式只能適用于熱流密度不大的電力電子設(shè)備。因此必須設(shè)計(jì)開發(fā)新的散熱手段以滿足IGBT高熱流密度散熱的要求。熱管散熱器是結(jié)合先進(jìn)的熱管技術(shù)及環(huán)肋散熱技術(shù)，與傳統(tǒng)散熱器相比又稱為相變散熱器，適合高熱流密度情況下的散熱，可滿足IGBT對(duì)散熱器緊湊、可靠、靈活、高效散熱、不要維修等要求。[2]
2 熱管結(jié)構(gòu)及工作原理
熱管的基本工作原理如圖1所示，典型的熱管有管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成1.3X(10-1~10-4)Pa的負(fù)壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。其工作機(jī)理是工質(zhì)液體與吸液芯之間產(chǎn)生的表面張力必須大到能克服管內(nèi)壓降，并維持工質(zhì)液體循環(huán)。當(dāng)熱管的一蒸發(fā)段受熱時(shí)毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向冷凝段放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)工作。[3]
圖1 熱管原理示意圖
3D復(fù)合相變熱管散熱器，如下圖2所示，基板與復(fù)合超導(dǎo)平板熱管（FHP）組成3D連通的相變傳熱體系，相變基板受熱時(shí)，工質(zhì)吸收熱量，相變?yōu)檎羝羝卣羝ǖ缹崃總鬟f至每片熱管（FHP）管道，并將熱量傳遞至遠(yuǎn)端，F(xiàn)HP散熱翅片進(jìn)行熱量交換，釋放熱量，工質(zhì)冷凝回流至相變基板區(qū)，從而形成熱量交換循環(huán)。
展開 在前不久比亞迪秦Pro產(chǎn)發(fā)布會(huì)上，最引人關(guān)注的就是標(biāo)志著汽車走向開放時(shí)代，針對(duì)開發(fā)者設(shè)計(jì)了車型，建立了更開放的汽車生態(tài)圈。不過還有一個(gè)細(xì)節(jié)引起業(yè)內(nèi)注意，這就是首次展示了BYD自主研發(fā)的IGBT，這一技術(shù)也許很多人沒聽說過，但對(duì)于電動(dòng)車型來說至關(guān)重要。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分最核心的元件就是IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片），它能夠占到電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本的一半，電機(jī)驅(qū)動(dòng)又占據(jù)車型成本的15%左右，因此IGBT是電動(dòng)車當(dāng)中成本第二高的元件。
汽車IGBT技術(shù)長期被國外企業(yè)壟斷，比亞迪首次外宣布采用自主研發(fā)IGBT功率器件，意味著在這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)和元件上面，比亞迪擁有了自主可控的能力，不再受制于人，在未來新能源全面替換傳統(tǒng)燃油汽車過渡期以至于電動(dòng)車時(shí)代占據(jù)主動(dòng)。
實(shí)際上，據(jù)比亞迪介紹，在之前公布的秦、唐等車型上，已經(jīng)采用自主研發(fā)IGBT模塊，但并未對(duì)外宣傳。
目前，比亞迪現(xiàn)已擁有國內(nèi)首個(gè)汽車IGBT打造鏈條，包括IGBT芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、模塊封裝等部分，還有與仿真測試以及整車測試。目前在該品牌車型當(dāng)中已經(jīng)安裝了60萬，具備一定規(guī)模。這一核心技術(shù)的自主開發(fā)和規(guī)模化應(yīng)用讓他們擁有了一項(xiàng)電動(dòng)車核心競爭力。
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IGBT設(shè)計(jì)的最新內(nèi)容
總之，國內(nèi)IGBT產(chǎn)業(yè)在芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、模塊封裝等方面都已經(jīng)具備了國產(chǎn)替代的基礎(chǔ)，但仍然存在一定的技術(shù)差距和供應(yīng)鏈制約。隨著國家政策對(duì)IGBT產(chǎn)業(yè)給予了重點(diǎn)扶持和引導(dǎo)，同時(shí)下游新能源產(chǎn)業(yè)需求持續(xù)增長，為國內(nèi)IGBT企業(yè)提供了巨大的市場空間和發(fā)展機(jī)遇，無疑對(duì)我們從業(yè)者而言也是巨大的職業(yè)發(fā)展機(jī)遇。
IGBT應(yīng)用及封裝設(shè)計(jì)
· IGBT特征化建模和開關(guān)特性測試
· IGBT寄生參數(shù)提取及系統(tǒng)性能分析
· IGBT電磁性能分析和傳導(dǎo)路徑優(yōu)化
· IGBT多物理場耦合特性分析
· IGBT熱模型提取及系統(tǒng)性能分析
· IGBT輻射干擾分析
2. 驅(qū)動(dòng)/控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.
翠展微電子，翠展集團(tuán)是車規(guī)級(jí)IGBT模塊設(shè)計(jì)生產(chǎn)供應(yīng)商，成立于2018年, 公司總部及生產(chǎn)基地位于浙江省嘉興市，同時(shí)在上海、蘇州、合肥、天津、重慶、深圳設(shè)立子（分）公司，集團(tuán)擁有超過100名員工。
而采用MOSFET/IGBT單管的設(shè)計(jì)還是在15-30千瓦水平。
b) 三相系統(tǒng)中的反激式輔助電源，1700V SiC MOSFET也是完美的解決方案。
在可靠性和質(zhì)量保證方面，SiC器件有平面柵和溝槽柵兩種類型，英飛凌的溝槽柵SiC MOSFET能很好地規(guī)避平面柵的柵極氧化層可靠性問題，同時(shí)功率密度也更高。
單脈沖測試原理
本文設(shè)計(jì)IGBT測試采用單脈沖測試，開通或關(guān)斷狀態(tài)都能測試。為方便起見，只對(duì)T3做單脈沖測試。單脈沖實(shí)驗(yàn)原理示意如圖1和圖2所示。
圖1 英飛凌IGBT模塊示意圖
圖2 富士IGBT模塊示意圖
圖1為英飛凌IGBT示意圖，對(duì)T2做單脈沖測試時(shí)，短路其他IGBT門極。
影響IGBT可靠性因素
柵電壓
IGBT工作時(shí)，必須有正向柵電壓，常用的柵驅(qū)動(dòng)電壓值為15～187，最高用到20V， 而棚電壓與柵極電阻Rg有很大關(guān)系，在設(shè)計(jì)IGBT
基于應(yīng)用需求，對(duì)大規(guī)模 IGBT 芯片壓接封裝過程中面臨的“機(jī) - 電 - 熱”強(qiáng)耦合條件下的芯片均流原理已有了深入研究：文獻(xiàn)[40]首次完成了大尺寸 IGBT 芯片設(shè)計(jì)研究，及其力學(xué)增強(qiáng)、方形陶瓷管殼和壓接封裝等關(guān)鍵技術(shù)研究；文獻(xiàn)[38]提出了 IGBT 低時(shí)延?xùn)艠O互連與元胞柵電阻結(jié)構(gòu)，完成了 IGBT 元胞開關(guān)同步與均流控制技術(shù)研究，開發(fā)了全球最大容量的 600 A/4500 V IGBT 芯片
基于應(yīng)用需求，對(duì)大規(guī)模 IGBT 芯片壓接封裝過程中面臨的“機(jī) - 電 - 熱”強(qiáng)耦合條件下的芯片均流原理已有了深入研究 [38-40] ：文獻(xiàn) [40] 首次完成了大尺寸 IGBT 芯片設(shè)計(jì)研究，及其力學(xué)增強(qiáng)、方形陶瓷管殼和壓接封裝等關(guān)鍵技術(shù)研究；文獻(xiàn) [38] 提出了 IGBT 低時(shí)延?xùn)艠O互連與元胞柵電阻結(jié)構(gòu)，完成了 IGBT 元胞開關(guān)同步與均流控制技術(shù)研究，開發(fā)了全球最大容量的 600 A/4
希望本文的工作能夠?yàn)槲覈妱?dòng)汽車 IGBT 芯片的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方向提供參考。
針對(duì)國內(nèi)外 IGBT 封裝設(shè)計(jì)的技術(shù)需求，Ansys 提出了全面的設(shè)計(jì)解決方案，高效解決 IGBT 封裝設(shè)計(jì)所面臨的、多物理域耦合設(shè)計(jì)和高精度器件與電路、系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題。本次線上研討會(huì)主題為 IGBT 關(guān)鍵仿真技術(shù)及應(yīng)用方案，這些全方位的仿真與設(shè)計(jì)功能將在本次研討會(huì)中詳細(xì)的介紹與探討。
